北方某试点城市综合管廊工程设计

何士忠, 赫明水, 安 捷, 杨 宇, 王长祥

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第一设计研究院, 天津 300381)

1 概述

综合管廊作为一种提升城市综合承载能力和韧性的新型市政设施,在我国从2015年开始试点建设,到2022年6月底,累计开工建设管廊项目1 647个、长度5 902 km。综合管廊是21世纪新型城市市政基础设施建设现代化的重要标志之一,避免了埋设或维修管线导致道路重复开挖的麻烦,由于管线不接触土壤和地下水,因此减轻了腐蚀,延长了使用寿命,还为城市发展预留了宝贵的地下空间。同时也积极响应了“一流的规划、一流的设计、一流的建设、一流的质量”的建设要求[1]。

北方某城市于2015年4月8日,顺利通过国家财政部、住房城乡建设部组织的专家答辩,成为全国首批10个地下综合管廊建设试点城市之一。110国道综合管廊工程是在该城市申请国家管廊试点城市后投入设计施工的综合管廊的一部分。该工程的建设,将起到良好的示范和推动作用。该工程也为高压电力电缆和超大口径(DN 1 200～1 400 mm)热力管道入廊提供了宝贵的设计经验。

2 工程概况

110国道综合管廊为3舱管廊,包含综合舱、高压电力舱和热力舱,总长度11.04 km,项目总投资约11.1×108元。具有入廊管线多、建设体量大的特点,穿越河流一次,需与现状道路、水系改造相结合,设计成果将与周边环境达到完美融合。

110国道综合管廊工程分为2段:西段管廊为白云鄂博路至银海路段,长度为5.06 km;东段管廊为胜利街至210国道段,长度为5.98km。2段综合管廊各设置监控中心1座。

3 项目特点

① 本项目随道路改造项目一并建设。地下现状管线多,给管廊的实施和管线入廊造成困难。

② 管廊为3舱,断面宽度较大,为13.7～14.3 m,施工难度较大。

③ 入廊热力管道口径大,最大达到DN 1 400 mm。

4 总体设计

4.1 入廊管线的确定

110国道综合管廊(简称管廊)工程中的规划管线有给水管道、中水管道、雨水管道、污水管道、热力管道、燃气管道、电力电缆、通信线缆,其中电力电缆电压为10 kV、110 kV。目前实际入廊管线有给水管道、中水管道、热力管道、110 kV电力电缆、10 kV电力电缆、通信线缆。

4.2 管廊横断面设计

管廊主要包括综合舱、高压电力舱和热力舱。综合舱内敷设DN 800 mm给水管道、DN 300 mm中水管道、10 kV电力电缆及通信线缆。高压电力舱内为110 kV电力电缆。为避免热力管道事故对其他管线造成影响,将热力管道单舱布置,热力舱位于管廊内最右侧。由于西段管廊热力管道规格为DN 1 200 mm,东侧管廊热力管道规格为DN 1 400 mm,因此2段管廊的横断面设计总宽度不同,西段管廊总宽13.7 m,东段管廊总宽14.3 m,总高均为4.5 m。2段管廊的横断面分别见图1、2,图内尺寸单位均为mm。

图1 西段管廊横断面

图2 东段管廊横断面

4.3 管廊竖向设计

4.3.1常规段覆土深度的确定

管廊最小覆土深度一般为2 m。考虑到110国道下也会有雨水管道、污水管道直埋,应预留出敷设空间,将管廊常规段的覆土深度控制在2.8 m左右。

4.3.2管廊与市政排水管道的标高冲突处理

管廊与管廊外的市政排水管道(简称市政排水管道)极易出现标高上的冲突,常规处理方案如下。

方案1:管廊避让市政排水管道。下调管廊标高,使管廊从市政排水管道下方通过。该方案中市政排水管道位于管廊上方,给日后市政排水管道维护创造了便利条件,但是增加了管廊的覆土深度,投资增加。

方案2:市政排水管道采用倒虹吸方案。维持管廊标高不变,市政排水管道采用倒虹吸形式通过管廊。该方案使市政排水管道局部位于管廊的下方,给日后市政排水管道维护带来了不便,且倒虹吸形式也使市政排水管道的排放不顺畅。该方案不会增加过多投资。

在本工程中,考虑以上2种方案相结合的方式。当有开挖条件时,采用下调管廊标高避让市政排水管道的方式;当管廊标高下调有困难时,采用市政排水管道倒虹吸方式通过综合管廊。

4.3.3管廊穿越河流的处理

当管廊穿越河流时,出于河道景观、河道防洪以及通航要求等因素的考虑,管廊从河道底部通过。在河床范围内,管廊覆土深度应不小于1.0 m。

管廊在进入河道之前,沿着管廊长度方向,采用不大于15°的倾角向下调整标高至要求的穿越标高。河底部分的管廊采用不小于0.002的坡度向两侧或一侧找坡,以保证河底部分管廊的排水顺畅。管廊穿越河流见图3。

图3 管廊穿越河流

5 主要节点设计

5.1 管线分支口

为满足管线分支出入管廊需求,需根据规划并结合地块性质,设置管线分支口。一般在路口两侧及两个路口之间的位置设置,如两个路口之间的距离较远,则每隔200 m左右设置1处管线分支口。管线分支口需满足电力电缆、通信线缆、给水管道、中水管道、热力管道的出入。热力管道根据热力公司确定的位置设置管线分支口。给水管道、通信线缆、电力电缆、中水管道从管廊侧向出廊。热力管道采用下引出,从管廊底部出廊。电力电缆采用专用防水电缆套管与外部连接,电力电缆和通信线缆引出段过路采用排管形式,并在末端预留连接井。给水管道、中水管道、热力管道过路采用预埋过路套管的形式。

5.2 投料口

综合管廊投料口布置,以不大于400 m设置1处投料口,投料口尺寸按照每个舱内敷设的最大管道口径考虑。综合舱内投料口尺寸(长×宽)为7.0 m×1.0 m,位于1.5 m宽的侧分带内,侧分带指在市政道路中,机动车道与非机动车道之间的绿化分隔带。高压电力舱投料口尺寸(长×宽)为1.5 m×1.5 m,位于人行道内。西段管廊热力舱投料口尺寸(长×宽)为7.0 m×2.0 m,东段管廊热力舱投料口尺寸(长×宽)为7.0 m×2.2 m,均位于绿化带内。投料口顶板位于地下50 cm处,待管线安装完毕后,绿化带或人行道实施之前应进行封闭,封闭后顶板上用防水砂浆进行封堵。运行过程中如果再次打开,施工完毕后应进行恢复。投料口实景见图4。

5.3 通风口

通风设计采用自然进风、机械排风相结合。在每一防火区间的两端分别设地上式自然进风口、地上式机械排风口。地上式自然进风口和地上式机械排风口高出地面约1.5 m,布置在综合管廊外侧绿化带内,结合景观效果进行设计。建议采用成品通风口,美观大方、安装方便。

自然进风口、投料口与逃生口集中设置,见图5。

图5 自然进风口、投料口与逃生口集中设置

5.4 人员出入口

人员出入口主要是方便管理检修人员出入,该工程利用逃生口作为人员出入口。

5.5 监控中心与管廊的连接通道

监控中心位于地面上,通过地下一层的廊道与综合管廊相连,廊道宽2.0 m,高2.4 m。来自监控中心的人员可以分别通过廊道内的3个防火门,下楼进入管廊的3个舱室。

5.6 交叉口

管廊交叉口的设置主要需要考虑相交道路两条综合管廊交叉的问题,包括管廊和管廊交叉的结构形式以及管线与管线交叉的交汇方式。管廊交叉口采用上下双层的立体交叉结构,断面尺寸较大的管廊(称为上层管廊)采用直线形式,断面尺寸较小的管廊(称为下层管廊)采用倒虹形式下穿上层管廊。以上层管廊的底板作为下层管廊的顶板,在上层管廊的底板开孔并设置轻质防火人孔及爬梯,以便维护人员上下穿越。交叉口处上层管廊底板根据需要预留孔洞,满足管道上下穿越、连接的要求。交叉口处下层管廊最低点须设置集水坑。

6 附属设施设计

6.1 排水系统

3个舱室内设置独立的排水系统。在各舱室沿线设置排水沟,利用排水沟收集渗水及检修漏水等并排至管廊低处的集水坑中,再利用集水坑内设置的潜污排水泵排至管廊外雨水系统中。

潜污排水泵的启停由设在集水坑内的液位开关控制,高液位开泵,低液位停泵,超高液位报警。

管廊内各舱室的一侧设有排水沟,舱室地面向排水沟方向有0.2%的坡度,舱室内的污水通过该坡排到排水沟内。排水区间长度不大于200 m。

6.2 消防系统

在设置电力电缆的综合舱和高压电力舱设置超细干粉灭火系统和干粉灭火器;在热力舱以及管廊出入口等处设置干粉灭火器。

超细干粉灭火系统具备3种启动方式:感温自动启动、手动启动、消防控制中心联动。

干粉灭火器采用手提式MF/ABC1型磷酸铵盐干粉灭火器,要求每个防火分区沿线灭火器设置间距不大于40 m,且每个防火门处要设置1具。

6.3 通风系统

通风设计采用自然进风、机械排风相结合。本管廊按200 m一个防火分区划分通风区段。每个通风区段一端为进风口,另一端为排风口,相邻2个通风区段的进风口设置在一起,排风口设置在一起,采用头尾相对的布置方式,见图6。

图6 进排风口布置方式

6.4 供配电及照明系统

西段管廊共有27个防火分区,设有14个现场控制站;东段管廊共有32个防火分区,设有16个现场控制站。现场控制站用作管廊内用电设备的低压配电室和控制室。

除了在东段管廊的西端头设置了监控中心和低压配电室(含100 kV·A变压器)外,在东段管廊、西段管廊沿线还分别设置了4个箱式变电站,向各段管廊的现场控制站内的低压配电室供电。

为便于检修维护,现场控制站内安装配电设备处的照明照度确定为200 lx,监控中心照明照度不小于300 lx。为满足巡视要求,管廊内人行通道上的平均照明照度不小于15 lx,应急疏散照明照度不小于5 lx。

6.5 监控系统

以约200 m长划分为一个监控报警区间,每个监控报警区间包含对应3个舱室的3个防火分区。东段管廊、西段管廊各设置监控中心1座,消防控制中心与监控中心共址。在监控中心的中央计算机上设统一管理信息平台。

7 结构设计

7.1 设计标准

本工程结构设计使用年限为100 a。抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,设计地震分组为第一组,结构安全等级为一级,结构构件裂缝控制等级为三级,结构构件最大裂缝宽度为0.2 mm,防水等级为二级。地基基础设计等级为丙级,抗浮稳定性抗力系数为不低于1.05。如果管廊位于道路下,该道路的汽车荷载等级为公路Ⅰ级;如果管廊位于非道路下,该处的地面堆积最大荷载标准值为10 kN/m2。

7.2 主体结构设计

管廊结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,以可靠度指标度量结构构件的可靠度。对承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算。

管廊标准段结构为闭合框架。管廊特殊节点包括管线分支口、投料口、通风口等,采用现浇混凝土结构。监控中心房屋采用钢筋混凝土框架结构。

管廊结构应在纵向设置变形缝,结构纵向刚度突变处以及荷载变化处或地基软硬变化处设变形缝,缝宽30 mm。缝内设埋入式橡胶止水带,采用聚乙烯闭孔泡沫板填缝,采用聚硫密封膏密封。缝外周圈设一圈外贴式橡胶止水带。

结构中钢筋的混凝土保护层厚度:迎水面(管廊底板、外壁板、顶板外侧)为50 mm,其他部位为30 mm。

8 设计特点

8.1 总体设计特点

① 入廊管线种类多,管廊断面尺寸较大,对管廊断面进行优化设计,对不同舱室采用不同的壁厚,如综合舱顶板厚度为400 mm,高压电力舱和热力舱顶板厚度为600 mm,以降低施工难度和工程投资。

② 将投料口、逃生口和通风口集中布置[2],尽量减小地面上建筑的占地面积,减少对道路和景观设计的影响。

③ 考虑远期发展,在综合舱预留通信线缆、电力电缆位置,并预留一根给水管道位置。

8.2 结构设计特点

① 热力管道与管廊同步设计,管廊施工时在对应位置预留或预埋支架,且需充分考虑支架反力对管廊本体的影响。

② 管廊本体沿管廊长度方向每隔30 m左右设伸缩缝,伸缩缝采用两道橡胶止水带(内埋+外贴)防水,确保防水可靠及耐久性。

③ 基坑为深基坑,深5～8 m,大部分采用放坡开挖,挂网喷浆防护,局部采用钢板桩支护。

8.3 热力管道设计特点

本工程为国内首条DN 1 200～1 400 mm供热管道入廊项目,供热管道敷设长度为11 km。在管径大、管道长的特点下,产生了诸多技术难点[3]。围绕长直管道、随路敷设连续弯道处、热力管道分支口、管道阀门、管廊内管道与直埋管道衔接等管道应力问题,采用有限元应力计算软件进行计算,对由管道重力、压力、温度和偶然荷载作用下产生的应力进行分析计算,优化管道力系。在管道材质、保温形式、补偿器形式的选择和管廊管道放气及泄水的设置等方面也充分考虑,确保管道设计的安全性。

9 节省费用分析

据统计,既有的110 kV架空高压电力电缆入廊后,在市中心区范围内能够腾退可利用土地约66.67×104m2,利用土地产生的直接经济效益超过20×108元。此外,管线入廊后,避免了停水、停电、交通中断等马路拉链现象。据测算,城市道路每开挖1 m,城市建设费用增加1.4×104元。因此,城市建设费用也节省很多。

10 结束语

综合管廊作为城市生命线工程,能够有效避免停水、停电、交通中断等马路拉链现象,是一项真正的民生工程、百姓工程、里子工程。综合管廊敷设热力管道是一种新兴的敷设方式。本工程DN 1 200～1 400 mm超大口径热力管道已完成入廊,并稳定运行了逾2 a,填补了大口径热力管道入廊的空白,积累了丰富的设计、施工和运行经验。